Bei LED-Anwendungen entscheidet die Wärmeableitung über Lebensdauer und Lichtausbeute. Aluminium-PCBs dominieren den Markt mit 90% Anteil – aber sind Kupferkern-PCBs für Ihr Projekt die bessere Wahl? Ein technischer Vergleich mit konkreten Empfehlungen.
Warum Wärmemanagement bei LEDs entscheidend ist
Eine LED wandelt nur 20-40% der zugeführten Energie in Licht um – der Rest wird zu Wärme. Diese Wärme muss effektiv abgeführt werden, denn jede 10°C Temperaturerhöhung an der LED-Junction halbiert die Lebensdauer. Bei einer typischen LED mit 50.000 Stunden Nennlebensdauer bedeutet das:
Temperatureinfluss auf LED-Lebensdauer:
- Junction bei 85°C: 50.000 Stunden Lebensdauer
- Junction bei 95°C: 25.000 Stunden Lebensdauer
- Junction bei 105°C: 12.500 Stunden Lebensdauer
- Junction bei 115°C: 6.250 Stunden Lebensdauer
Die Wahl des richtigen PCB-Materials ist der erste und wichtigste Schritt im thermischen Management. Bei Metal-Core-PCBs (MCPCBs) stehen zwei Hauptmaterialien zur Auswahl: Aluminium und Kupfer.
Technischer Vergleich: Aluminium vs. Kupferkern
Wärmeleitfähigkeit
Der entscheidende Parameter für die Wärmeableitung ist die Wärmeleitfähigkeit, gemessen in W/(m·K):
| Material | Wärmeleitfähigkeit | Relative Performance |
|---|---|---|
| Standard FR4 | 0,3 W/(m·K) | Referenz (1x) |
| Aluminium (6061-T6) | 167 W/(m·K) | 557x besser |
| Kupfer (C11000) | 391 W/(m·K) | 1.303x besser |
Kupfer leitet Wärme also 2,3x besser als Aluminium. Dieser Vorteil wird jedoch durch die dielektrische Schicht zwischen Metallkern und Kupferleiterbahnen relativiert – sie ist oft der thermische Flaschenhals.
Dielektrische Schicht – der versteckte Faktor
Die dielektrische Isolationsschicht ist der thermische Engpass in jedem MCPCB. Ihre Wärmeleitfähigkeit liegt typischerweise zwischen 1-3 W/(m·K) bei Standardmaterialien und bis zu 8-12 W/(m·K) bei High-Performance-Varianten.
| Dielektrikum-Typ | Wärmeleitfähigkeit | Typische Anwendung | Relativer Preis |
|---|---|---|---|
| Standard | 1,0-1,5 W/(m·K) | LED-Beleuchtung, Consumer | 1x |
| Enhanced | 2,0-3,0 W/(m·K) | Automotive, Industrie | 1,5-2x |
| High-Performance | 5,0-8,0 W/(m·K) | High-Power LED, Laser | 3-5x |
| Ceramic-filled | 8,0-12,0 W/(m·K) | Extreme Anwendungen | 5-8x |
“Bei Standard-Dielektrikum mit 1,5 W/(m·K) macht der Unterschied zwischen Alu- und Kupferkern nur etwa 5-10% bei der Gesamtwärmeableitung aus. Erst bei High-Performance-Dielektrikum über 5 W/(m·K) wird der Kupfervorteil wirklich spürbar.”
Hommer Zhao
Technischer Berater, PCB-Leiterplatte
Kostenvergleich: Das Budget im Blick
Kupfer ist deutlich teurer als Aluminium – sowohl im Materialeinkauf als auch in der Verarbeitung. Die folgende Tabelle zeigt typische Preisunterschiede:
| Kostenfaktor | Aluminium-MCPCB | Kupferkern-MCPCB | Faktor |
|---|---|---|---|
| Materialkosten (1,6mm) | €0,08-0,12/cm² | €0,25-0,40/cm² | 3-4x |
| Verarbeitungskosten | Standard | +30-50% | 1,3-1,5x |
| Werkzeugverschleiß | Normal | +100-150% | 2-2,5x |
| Gesamtkosten (100 Stück, 50x50mm) | ~€180-250 | ~€450-700 | 2,5-3x |
Für die meisten LED-Projekte gilt: Der Preisvorteil von Aluminium überwiegt, wenn die thermischen Anforderungen es zulassen. Bei Prototypen kann es sinnvoll sein, beide Varianten zu testen.
Gewicht und mechanische Eigenschaften
Neben den thermischen und finanziellen Aspekten spielen auch mechanische Faktoren eine Rolle:
| Eigenschaft | Aluminium | Kupfer | Vorteil für |
|---|---|---|---|
| Dichte | 2,7 g/cm³ | 8,9 g/cm³ | Aluminium (3,3x leichter) |
| Zugfestigkeit | ~310 MPa | ~220 MPa | Aluminium |
| Wärmeausdehnung (CTE) | 23 ppm/°C | 17 ppm/°C | Kupfer (näher an Keramik-LEDs) |
| Korrosionsbeständigkeit | Gut (Oxidschicht) | Mittel (muss beschichtet werden) | Aluminium |
| Bearbeitbarkeit | Sehr gut | Gut | Aluminium |
Anwendungsgebiete: Wann welches Material?
Aluminium-MCPCB ist optimal für:
- LED-Beleuchtung: Büro-, Straßen- und Industriebeleuchtung (≤5W/LED)
- Consumer Electronics: TV-Hintergrundbeleuchtung, Displays, Dekobeleuchtung
- Automotive Innenraum: Armaturenbrett, Leseleuchten, Ambientebeleuchtung
- Standardanwendungen: Wo Kosten und Gewicht wichtiger sind als maximale Wärmeableitung
- Große Stückzahlen: Bei hohen Volumina summieren sich die Kostenvorteile
Kupferkern-MCPCB ist optimal für:
- High-Power LEDs: COB-LEDs mit >10W, Hochleistungsstrahler
- Automotive Außenbereich: Scheinwerfer, DRL (Daytime Running Lights)
- UV-LEDs: Aushärtung, Desinfektion, Medizintechnik
- Laser-Dioden: Industrielaser, medizinische Anwendungen
- Extreme Umgebungen: Hohe Umgebungstemperaturen, begrenzte Konvektion
Praxisbeispiel: 10W-LED-Strahler
Um die Unterschiede zu verdeutlichen, betrachten wir einen typischen 10W-LED-Strahler mit einer CREE XHP50-LED:
Randbedingungen:
- LED-Verlustleistung: ~7W (70% thermischer Wirkungsgrad)
- Maximale Junction-Temperatur: 150°C
- Ziel-Junction-Temperatur: ≤100°C (für 50.000h Lebensdauer)
- Umgebungstemperatur: 40°C
- Verfügbarer Temperaturgradient: 60K
| Konfiguration | Thermischer Widerstand | Junction-Temp. bei 40°C | Status |
|---|---|---|---|
| Alu + Standard-Dielektrikum | ~8,5 K/W | ~100°C | Grenzwertig |
| Alu + Enhanced-Dielektrikum | ~6,5 K/W | ~86°C | OK |
| Kupfer + Standard-Dielektrikum | ~7,5 K/W | ~93°C | OK |
| Kupfer + Enhanced-Dielektrikum | ~5,0 K/W | ~75°C | Optimal |
Das Beispiel zeigt: Aluminium mit hochwertigem Dielektrikum kann oft dieselbe Performance erreichen wie Kupfer mit Standard-Dielektrikum – bei niedrigeren Kosten.
Entscheidungsmatrix für Ihre Materialwahl
Nutzen Sie diese Matrix, um die optimale Lösung für Ihr Projekt zu finden:
Wählen Sie Aluminium-MCPCB, wenn:
- ☑ LED-Leistung ≤5W pro Lichtquelle
- ☑ Budget ist ein wichtiger Faktor
- ☑ Gewicht muss minimiert werden
- ☑ Umgebungstemperatur ≤50°C
- ☑ Ausreichend Platz für passive Kühlung vorhanden
Wählen Sie Kupferkern-MCPCB, wenn:
- ☑ LED-Leistung >10W pro Lichtquelle
- ☑ Umgebungstemperatur >60°C
- ☑ Platzbeschränkungen für Kühlkörper
- ☑ Hohe Zuverlässigkeitsanforderungen (Automotive, Medizin)
- ☑ CTE-Matching mit keramischen LED-Packages wichtig
Hybride Lösungen und Alternativen
Manchmal ist weder reines Aluminium noch reines Kupfer die optimale Lösung:
1. Copper-Inlay-Technologie
Ein Kupfer-Insert wird lokal unter der LED in ein Aluminium-PCB eingesetzt. Dies kombiniert die Vorteile beider Materialien: lokale Wärmeableitung wie Kupfer, Gewicht und Kosten wie Aluminium.
2. Direkte Kupfer-Bondung (DCB)
Keramik-Substrate (Al₂O₃ oder AlN) mit direkt gebondetem Kupfer bieten die beste thermische Performance, sind aber deutlich teurer und werden primär in High-End-Anwendungen eingesetzt.
3. IMS mit verbessertem Dielektrikum
Insulated Metal Substrate (IMS) mit keramikgefülltem Dielektrikum (8-12 W/(m·K)) kann auf Aluminium-Basis Kupfer-Performance erreichen.
Design-Tipps für optimale Wärmeableitung
Unabhängig vom gewählten Material helfen diese Designprinzipien bei der Optimierung:
Best Practices für MCPCB-Design:
- Thermische Vias: Platzieren Sie thermische Vias direkt unter dem LED-Thermal-Pad
- Große Kupferflächen: Maximieren Sie die Kupferfläche um die LED für laterale Wärmespreitung
- Kühlkörper-Anbindung: Planen Sie die mechanische Verbindung zum Kühlkörper (Schrauben, Wärmekleber)
- Gleichmäßige Verteilung: Verteilen Sie LEDs gleichmäßig, um Hotspots zu vermeiden
- Mindest-Abstände: Halten Sie ausreichend Abstand zwischen LEDs (min. 2x LED-Durchmesser)
Für komplexe thermische Designs bieten wir bei der PCB-Bestückung auch thermische Simulationen an.
Qualitätsstandards und Zertifizierungen
Je nach Anwendungsbereich gelten unterschiedliche Standards für MCPCBs:
| Branche | Relevante Standards | Besondere Anforderungen |
|---|---|---|
| Consumer | IPC-A-600, UL 94 V-0 | Flammhemmung, RoHS |
| Automotive | IATF 16949, AEC-Q | Vibration, Temperaturzyklen |
| Medizin | ISO 13485, IEC 60601 | Biokompatibilität, Rückverfolgbarkeit |
| Industrie | IPC Class 2/3 | Langzeitverfügbarkeit |
Fazit: Die richtige Wahl für Ihr LED-Projekt
Die Entscheidung zwischen Aluminium und Kupferkern hängt von Ihren spezifischen Anforderungen ab:
Zusammenfassung:
- Aluminium ist die wirtschaftliche Wahl für 90% aller LED-Anwendungen. Mit hochwertigem Dielektrikum erreichen Sie exzellente thermische Performance bei deutlich geringeren Kosten.
- Kupfer ist gerechtfertigt bei High-Power-Anwendungen (>10W), extremen Umgebungsbedingungen oder wenn CTE-Matching kritisch ist.
- Der Schlüssel zum Erfolg liegt oft weniger im Kernmaterial als in der Wahl des richtigen Dielektrikums und einem durchdachten thermischen Design.
“In 80% der Anfragen empfehle ich Aluminium mit Enhanced-Dielektrikum. Die Kombination bietet das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Kupferkern reserviere ich für die verbleibenden 20% – echte High-Power-Anwendungen, wo jedes Kelvin zählt.”
Hommer Zhao
Technischer Berater, PCB-Leiterplatte
Unsicher, welches Material für Ihr LED-Projekt optimal ist? Kontaktieren Sie uns für eine kostenlose Beratung. Mit unserer Erfahrung im Bereich Metal-Core-PCBs finden wir die wirtschaftlich und technisch optimale Lösung für Ihre Anforderungen.
Weiterführende Informationen
Für tiefergehende Informationen zu MCPCB-Technologien empfehlen wir folgende Quellen:
